一种新型宏宏双驱动伺服系统及其微量进给特性研究

Break through the current typical CNC machine tool servo feed system structure, based on the "nut rotating type" rolling screw transmission pair, a new type of macro-micro dual-drive servo feed system is innovatively put forward to realize the precision micro-displacement control in the ultra-precision machining. Its innovative features lie in: avoid the impassable nonlinear creeping work area which caused by electromechanical components inherent attribute under low speed situation. Superposing the two "macro feed motions" ("motor drive screw" and "motor drive nut" )by the same transmission of "ball nut driven type" structure, which are nearly equal with speed and the same as turning direction, then it could obtain the "micro-feed" motion. This can overcome the disadvantages for the current CNC machine tool unit axis,which is difficult to achieve accurate and uniform micro-feed motion,because of the nonlinear creeping influence. Meanwhile, compared with those micro-feed mechanisms commonly used currently based on the piezoelectric effect, the electric (magnetic) effect and the thermoelastic effect methods, this new dual-drive system also has the advantages of large stroke, high rigidity, high precision, high load, and easy to control. Furthermore, in order to meet the needs of different processing range, as long as taking effective servo control, different type of driving modes can also be selected according to needs such as the screw signal driving, nut single driving and double driving. Therefore, the research obviously has a far-reaching significance on CNC equipment new concept design, processing performance enhancement, and ultra precision machining technology development.

突破当前典型的数控机床进给伺服系统结构，基于"螺母旋转型"滚动螺旋传动副，创新性的提出了宏宏双驱动进给伺服系统，实现超精密加工中的精确微小位移控制。其创新特色在于：避开因机电部件自身固有属性导致的极低速下不可逾越的非线性爬行工作区，使"电机带丝杠"和"电机带螺母"两个转速几近相等、转向相同的两个"宏动"，通过同一个"滚珠螺母主驱动型"结构的传动副进行叠加，便可获得"微动"进给。克服了目前数控机床单元坐标轴因非线性爬行影响难以获取精确、均匀的微量进给弊端。同时，新型双驱动系统和目前常用基于压电效应、电（磁）致效应、热弹性效等方法获得微量进给的机构比较，也具有大行程、高刚性、高精度、大载荷、易控制等优点。且通过有效控制，还可选择丝杠单驱动、螺母单驱动以及双驱动型三种伺服控制，以满足不同加工工艺范围所需。因此，课题研究对数控装备新概念设计、加工性能提升、超精密加工技术发展，明显具有深远意义。

高超精加工的关键技术瓶颈之一是如何在加工过程中使工具或工件得到准确、稳定可靠地微量位移。项目基于运动合成原理、滚动螺旋传动副及其传动的可逆性，创新性提出了一种宏-宏双驱微量进给机构及伺服技术。主要研究内容总结如下：.1.对提出的宏-宏双驱微量伺服进给系统进行了系统的理论研究。主要包括：构建了新型机构的运动学模型、推演建立了丝杠驱动型、螺母驱动型和丝杠螺母双驱动型三种不同工作方式的伺服系统机电耦合动力学模型；.2. 完成了宏-宏双驱微量伺服进给系统试验台三维几何设计。研究了新型系统的摩擦特性和热特性规律。提出了一种基于遗传算法的全组件摩擦参数辨识和精确建模方法；基于传热学理论，利用热网络法建立了系统的热力耦合模型，并求解获得了系统的温度场分布模型，为微纳进给综合误差补偿奠定了理论基础；.3.基于拉格朗日方程和状态空间向量法对系统的频响特性和动态响应行为进行了研究。研究了不同工作方式下，系统预紧力、扭转刚度、工作台质量等参数对进给系统组件及工作台加速度频响特性的影响；研究了在丝杠和螺母两个不同“宏动”速度差动合成工作台临界速度、恒定工作台进给速度以及正弦变速规律动态响应行为；.4.研制了宏-宏双驱微量伺服进给单轴运动系统试验台，进行了其动态性能及其微量进给运动特性的试验研究与验证。.研究的重要结论性结果、关键数据：.1.创造性地提出了宏-宏双驱伺服进给系统及其微量实现方法，并获得自主知识产权发明专利；提出了一种全组件摩擦精确建模方法。.3. 研究表明：这种基于刚性传动的差动微纳位移实现方法，比常规伺服系统具有更好的动态性能，可以实现微纳级进给分辨率，获得极低的均匀速度而不产生爬行。和当前国际上依靠智能材料的电（磁）致伸缩效应等实现微量驱动进给的微动机构比较，具有结构紧凑、响应快、行程大、分辨率高、承载能力大、变速范围广、刚度大，易于控制等特点。这是其他微动机构都不具备的。.科学意义：项目技术如普及用于当今数控装备制造业运动控制领域，将是机床领域中的一种颠覆性的创新，是当代数控制造运动设计的一个革命。对发展我国高端数控装备和超精密尖端科技，具有重大科学意义。